文/李明喆

智能避障機(jī)器人是一種車型的智能避障裝置。通過紅外傳感器監(jiān)控，經(jīng)由Arduino 處理器處理，控制智能避障機(jī)器人躲避障礙。它可以完成智能躲避障礙的工作，在許多領(lǐng)域都有實(shí)踐意義。

智能避障機(jī)器人可通過編程改變軟件參數(shù)實(shí)現(xiàn)其避障靈敏度及電機(jī)輸入PWM 波控制等功能。本文主要從系統(tǒng)工作原理，硬件電路中Arduino NUO 處理器、紅外傳感器和軟件設(shè)計(jì)等方面，來(lái)分析基于Arduino 的智能避障機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件組成

本設(shè)計(jì)由電源模塊、Arduino 處理模塊、傳感器模塊、外部驅(qū)動(dòng)模塊四大模塊組成。

其中，電源模塊由電池和穩(wěn)壓模塊組成；Arduino 處理模塊由硬件（Arduino NUO 處理器）和軟件（Arduino IDE)組成；傳感器模塊的任務(wù)即感應(yīng)功能由紅外傳感器完成；外部驅(qū)動(dòng)模塊通過Arduino 處理模塊控制輸出的PWM 波實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的精準(zhǔn)控制，控制小車的轉(zhuǎn)向，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能避障任務(wù)。

1.2 系統(tǒng)工作原理

智能避障機(jī)器人使用紅外傳感器對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，返回的數(shù)據(jù)信息經(jīng)Arduino 處理模塊后通過控制支持PWM 波調(diào)速的以L299D 驅(qū)動(dòng)芯片為核心的電機(jī)，控制小車的運(yùn)動(dòng)，使小車的智能避障任務(wù)得以實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖如圖1。

2 硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

表1：控制方式示意表

圖1：系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

由電池和穩(wěn)壓模塊組成的電源模塊為Arduino 模塊、傳感器模塊、驅(qū)動(dòng)模塊供電；Arduino 模塊中采用了ATMega8P 為主控芯片，通過軟件編程對(duì)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行控制；傳感器模塊由紅外傳感器組成，將所識(shí)別信息返回Arduino 模塊；外部驅(qū)動(dòng)模塊是由Arduino 模塊控制數(shù)據(jù)傳遞至以L299D 驅(qū)動(dòng)芯片為核心的電機(jī)。系統(tǒng)模式圖如圖2。

2.2 硬件實(shí)現(xiàn)

2.2.1 主控芯片

本設(shè)備的主控芯片選用ATMega8P，工作電壓為5V，有足夠的I/O 口進(jìn)行對(duì)PWM 波的控制，具有高性能、低功耗、數(shù)據(jù)處理快速等特點(diǎn)，便與實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理等多種功能，且價(jià)格低廉，有利于節(jié)省成本。

2.2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊使用支持PWM 波調(diào)速的以L299D 驅(qū)動(dòng)芯片為核心的電機(jī)，可以使小車有足夠的驅(qū)動(dòng)力。本設(shè)計(jì)中傳感器模塊將所識(shí)別信息返回Arduino 模塊后，經(jīng)過軟件運(yùn)行，主控芯片控制的PWM 波控制直流電機(jī)運(yùn)行進(jìn)而控制智能避障機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)智能避障。

2.2.3 紅外傳感器

紅外傳感系統(tǒng)是用紅外線為介質(zhì)的測(cè)量系統(tǒng)，現(xiàn)在已經(jīng)在現(xiàn)代科技、工業(yè)和國(guó)防等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，本設(shè)計(jì)中使用的是紅外測(cè)距傳感器，選擇依據(jù)是測(cè)距離遠(yuǎn)，穩(wěn)定性高。

2.2.4 Arduino

Arduino 是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺(tái)。本設(shè)計(jì)中的Arduino 處理模塊由硬件（Arduino NUO 處理器）和軟件（Arduino IDE)組成。編程方式方便靈活，支持C 語(yǔ)言編程，易于設(shè)計(jì)。

3 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要分為參數(shù)調(diào)整和輸出PWM 波兩個(gè)部分。

圖2：系統(tǒng)模式圖

參數(shù)調(diào)整部分主要是由紅外傳感器進(jìn)行距離測(cè)量返回的數(shù)據(jù)傳輸至Arduino NUO 處理器決定。通過返回?cái)?shù)據(jù)，調(diào)整控制參數(shù)。

輸出PWM 波部分是經(jīng)過參數(shù)調(diào)整后，根據(jù)之前數(shù)據(jù)的編程，使I/O 口輸出相應(yīng)的PWM 波，對(duì)電機(jī)模塊進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)小車的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障功能。

具體方式控制如表1所示。

4 結(jié)論

本文簡(jiǎn)單地分析了硬件和軟件的設(shè)計(jì)思路，完成了智能避障機(jī)器人的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)通過紅外傳感器監(jiān)控，經(jīng)由Arduino 處理器處理，控制智能避障機(jī)器人躲避障礙，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。